覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防治冲击地压技术体系及应用

主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式,或采用回采工作面平巷布孔卸压,或采用井下原位水力压裂技术,具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足;或采用地面水力压裂防冲系统,具有卸压范围广时效长等优点,也需要解决前期投入等。因此,秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想,研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系,针对可产生动载荷的较高位关键层,创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置,将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂,从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制,使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高,可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱,其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力,最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在陕西长武亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后,现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域,支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少;巷道深孔和浅孔应力也均减少;微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少,且密集程度显著降低,工作面中段的微震事件尤为稀疏;地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少,各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。

我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

随着煤矿开采深度不断加大,我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化,为了提高深部冲击地压防控技术成效,从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发,结合灾害防治工程实践数据统计,分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高,人为开采扰动范围大,灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快,冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比,面临“三高一低”防控技术新要求,包括高强度的大尺寸钻孔卸压,以解决厚硬煤层不容易塌孔问题;小间距高密度施工钻孔,以解决钻孔卸压范围不联通问题;多轮反复高频度施工,以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题;采掘工作面进尺低速度推进,以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低”防控新要求模式,为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性,以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景,提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术,并提出了进一步需要解决的科学问题;以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景,开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤矿冲击地压防治措施实施后,难以评判安全性问题为背景,提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤炭行业大力推广开采智能化,治灾仍需靠人工,人员处于高危环境作业问题,探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后,客观的指出,冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题,人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一,结合现场工程实践,讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题,指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争,需要从业人员客观认知,客观接受并深入研究,成效是显著的。

近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究

目前近直立煤层开采冲击地压防治措施主要有爆破、水压致裂、建立保护层等,或破坏层间岩柱和顶底板,或难以解决大采深情况下的层间岩柱应力集中问题,且会导致较大的地表沉降。以乌东煤矿为工程背景,针对近直立煤层群水平分段综放开采方法,提出了充填采空区技术,以支护层间岩柱及顶底板,降低开采分段周围煤岩体的应力集中现象。设计了3种充填方案:方案1为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段采用普通材料充填;方案2为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段交替采用高强度材料和普通材料充填;方案3为每一分段采空区均使用高强度材料充填。通过数值模拟研究了3种充填方案的卸压防冲效果,结果表明:与未充填相比,3种充填方案下层间岩柱最大垂直应力分别下降25.07%,26.57%,29.23%,下一分段煤体最大水平应力分别下降10.63%,10.79%,12.34%。综合考虑卸压效果和经济效益,优选间隔充填的方案3。指出可结合高应力区域实时智能监测技术,及时支撑层间岩柱,减少层间岩柱及下分段煤体的应力集中,防止冲击地压发生。

我国冲击地压矿井类型及防治方法研究

针对我国煤矿开采深度增加和采掘范围扩大,导致冲击地压灾害强度和频度明显增加的问题,总结分析了冲击地压发生的条件,认为只有同时满足内在条件、结构条件和应力条件时才会发生冲击地压。根据我国煤矿近年来冲击地压发生的条件和特点,将冲击地压矿井分为浅部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井5类。在深入分析不同矿井引发冲击地压力源的基础上,提出浅部冲击地压矿井的主要防冲措施是按顺序开采及控制顶板压力;深部冲击地压矿井的主要防冲措施是开采保护层,按顺序开采以及控制开采强度;构造冲击地压矿井主要采用长钻孔卸压的方法防治掘进期间冲击地压;坚硬顶板冲击地压矿井主要通过控制空顶长度防治冲击地压;煤柱冲击地压矿井主要采取诱发卸压措施防治冲击地压。

钻孔卸压技术在渣滓溪锑矿岩爆防治中的应用

通过理论分析和计算得出渣滓溪锑矿的钻孔卸压影响半径,并对钻孔卸压防治岩爆进行现场试验。结果表明,钻孔卸压的卸压影响半径约为0.7 m,与理论计算出的较为接近。钻孔卸压具有时效性,超过48 h后卸压作用减弱。洒水会加剧岩爆发生。钻孔卸压对防治岩爆有较好的作用。

变直径卸压钻孔卸压参数模拟研究

常规大直径卸压钻孔对巷道浅部围岩扰动较大,增加了支护成本。以变直径卸压钻孔为研究对象,采用理论分析、数值模拟的方法,分析了变直径卸压钻孔卸压机理,讨论了变直径钻孔损伤形状、卸压半径、钻孔布置方式和钻孔长度等因素,同时比较了不同钻孔方案的优劣。结果表明:变直径钻孔在围岩浅部使用小直径钻孔,可以减小浅部围岩变形,对浅部围岩扰动更小,在煤层深部采用大直径,可以为煤体提供更大的能量释放空间,卸压效果好;在垂直应力大于水平应力的情况下,钻孔损伤为“蝴蝶”型,因此采用双排三花布置效果最佳;小直径段长度不超过应力降低区,其长度为3 m,其总长度不超过应力集中区,为25 m;变直径卸压钻孔可以在有效卸压的同时减小对巷道浅部围岩的扰动。

扇形钻孔卸压冲击地压防治实践

某矿8332工作面在强冲击危险区段掘进,设计了3种布置方式的钻孔卸压方案,经安全技术比较和效果分析,采用扇形方式布置大直径卸压钻孔效果良好,安全可靠性高。

深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。

井下超长水平孔分段压裂防冲机理及效果

坚硬厚层顶板是冲击地压的主要影响和诱发因素之一,针对冲击地压煤层上方高位厚硬顶板难以实现大范围卸压的难题,开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。采用CDEM数值模拟方法分析了超长水平孔分段压裂弱化厚硬顶板的卸压防冲效果,结果表明:压裂后高位厚硬顶板垮落更充分,来压步距更短,来压强度更低,同时工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力也明显降低。提出了井下超长水平孔分段压裂卸压减冲原理,即通过对具有冲击致灾性的厚硬顶板实施大范围水力压裂,使完整性好的目标岩层形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,从而大幅减弱岩层的整体强度,使上覆岩层的垂直应力由“硬传递”转化为“软传递”,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;其次,压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。使用该技术在强冲击危险工作面进行了试验研究,结果表明,压裂期间,水压曲线在裂缝延伸压力区间内呈锯齿形波动,稳定时间长,表明裂缝扩展持续充分;在实施压裂的区域,微震事件由工作面前方向工作面后方和未压裂区转移,同时高能微震事件明显降低、低能微震事件增加,丛集效应弱化,开采扰动范围和顶板活动强度也有明显减小,巷道冲击风险显著降低,工作面最终实现了安全回采。

井下超长水平孔分段压裂防冲机理及效果

坚硬厚层顶板是冲击地压的主要影响和诱发因素之一,针对冲击地压煤层上方高位厚硬顶板难以实现大范围卸压的难题,开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。采用CDEM数值模拟方法分析了超长水平孔分段压裂弱化厚硬顶板的卸压防冲效果,结果表明:压裂后高位厚硬顶板垮落更充分,来压步距更短,来压强度更低,同时工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力也明显降低。提出了井下超长水平孔分段压裂卸压减冲原理,即通过对具有冲击致灾性的厚硬顶板实施大范围水力压裂,使完整性好的目标岩层形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,从而大幅减弱岩层的整体强度,使上覆岩层的垂直应力由“硬传递”转化为“软传递”,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;其次,压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。使用该技术在强冲击危险工作面进行了试验研究,结果表明:压裂期间,水压曲线在裂缝延伸压力区间内呈锯齿形波动,稳定时间长,表明裂缝扩展持续充分;在实施压裂的区域,微震事件由工作面前方向工作面后方和未压裂区转移,同时高能微震事件明显降低、低能微震事件增加,丛集效应弱化,开采扰动范围和顶板活动强度也有明显减小,巷道冲击风险显著降低,工作面最终实现了安全回采。

顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为:与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕西孟村煤矿401102综放工作面首次进行地面区域压裂“人造解放层”技术试验后,工作面回采期间微震事件呈现高频低能分布,顶板岩层断裂块度减小,顶板水均匀降落在采空区,工作面涌水量降低,采场及两巷压力及变形量降低显著,实现了解放层卸压效果。

井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

针对冲击地压局部卸压范围小,连续性低,作业风险高等问题,开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明,从加载条件来分,顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型;厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体,以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点,提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统,开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性,使得载荷向更完整顶板区域迁移,从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境,也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验,工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验,实践效果显著,形成了冲击地压建设矿井“先压后建”,生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。

煤矿井下边角煤柱不规则回采冲击地压防治探索

义桥煤矿4310工作面为边角煤柱回收的不规则工作面,工作面沿断层走向布置,同时受采深、断层构造、邻近采空区等因素影响,工作面采掘期间受高静载和断层活化强动载叠加作用,极易诱发冲击矿压事故。针对4310工作面复杂地质及开采技术因素,通过优化工作面布置以及大直径钻孔、煤层松动爆破及爆破断顶多方式联合卸压等手段,显著降低了4310工作面应力叠加现象,取得了积极效果。

近直立煤层冲击地压自保护卸压机制与防控

为有效防控近直立特厚煤层群水平分段开采中产生的冲击地压问题,以乌鲁木齐矿区乌东煤矿南采区为研究对象,分析87°近直立特厚煤层群冲击原因,探究这类煤层冲击地压防控的重难点,提出自保护卸压防控方法并分析该方法的卸压防冲效果。研究表明:近直立煤层群冲击地压主要发生在首采煤层中,主要原因为巷道位于支承压力与水平构造应力叠加产生的高应力区,冲击危险性高;对首采煤层采取自保护卸压措施,既可以改变煤岩体所处的应力环境,使支承压力与水平构造应力叠加产生的高应力区向深部煤岩体中转移,将采掘工作面巷道置于低应力区,还可以改变煤岩的性质,使其失去集聚大量弹性能的可能性,从而防止冲击地压发生。

深部孤岛工作面强卸压技术应用

张双楼煤矿7121工作面采深超1000 m,两侧采空,为典型的深部孤岛工作面。采用理论分析、数值模拟等方法综合确定了该工作面具有较高的冲击危险性。高支承应力、煤岩冲击倾向性、地质构造等为冲击危险的主要影响因素。采动应力演化的数值模拟结果显示,工作面推进过程中存在多个重点危险区域。在对围岩进行加强支护的基础上,对各重点区域实施了针对性的煤体卸压、顶板预裂等强卸压措施。通过微震监测和钻屑法对工作面回采期间的卸压效果进行检验,发现各项卸压措施有效降低了矿震强度及冲击危险性,保证了工作面安全回采完毕。该项技术对其他类似工作面的冲击矿压防治具有借鉴意义。

彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

随着煤矿开采强度的不断增大,矿井逐渐向深部转移,冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层,这些坚硬顶板厚度较大,整体性强,突然断裂时会释放大量弹性能,易引发冲击地压事故,严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例,针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况,提出针对性治理措施:对顶板上方0~80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理,对煤层上方0~30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施,对煤层上方30~60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施,对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施;使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿,将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构,使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”;并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施,形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明:采用“井上下”立体防治模式后,工作面103 J以上微震事件降低88%,周期来压强度降低23%,来压持续时间缩短61%,防冲效果良好。该技术模式的成功应用可为类似地质条件下冲击地压矿井灾害治理提供借鉴。

冲击地压煤层复合多灾协同防治技术及应用

矿井深部开采过程中呈现出冲击地压、瓦斯、自然发火等多灾害共生、耦合等特点,灾害之间具有诱发、转化、耦合等关联现象,且致灾机理复杂。不同灾害的单项治理措施隶属于不同部门,导致治理措施协同效果差及治理尚缺乏针对性的技术方法。基于此,讨论了冲击地压多灾害共生及致灾的现状,提出了冲击地压复合多灾的概念及灾害复合方式,结合各灾害治理中用到的水力化措施及其时空关系,提出了冲击地压煤层“钻-割-压-抽-注”多灾害协同防治方法并在唐口煤业6304工作面进行了工业性试验。通过对顺层长钻孔顺序实施钻进、水力割缝、水力压裂、瓦斯抽采、煤层注水、压注阻化剂等技术措施,实现局部高应力的有效释放、煤岩力学性质的改变,煤层透气性的大幅度提高,煤体注水湿润半径的增大和煤体含水率的增加,降低煤炭自燃的危险性,实现了多种灾害协同防治。

保护层不对称卸压工作面分区防冲技术

为有效防控保护层不对称卸压工作面冲击地压的发生,以唐山矿0291工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟等方法,分析了工作面发生冲击地压的影响因素及发生区域。结果表明:煤层开采深度、煤层及其顶板的冲击倾向性、上保护层遗留煤柱、本煤层采空区煤柱及厚硬顶板是诱发冲击地压的潜在影响因素;工作面回采前,受上保护层遗留煤柱及本煤层采空区影响,0291工作面两巷应力呈不对称分布,回风巷高应力区主要位于0250采空区切眼及终采线下方,运输巷高应力区主要位于0251采空区切眼下方;工作面回采阶段具有明显的分区特性,回采初期,运输巷围岩超前应力高于回风巷,应加强运输巷的监测并及时采取防冲措施;当工作面进入0251采空区下方时,运输巷围岩应力迅速降低,防治重点应由运输巷转移至回风巷。依据数值模拟分析结果,划分了冲击危险区,提出了工作面回采过程中的分区防治措施。现场监测结果表明,采取的措施可以有效降低冲击地压的发生。

高位深孔爆破预裂超前区域治理技术研究与应用

针对深部高瓦斯煤层开采时围岩受“三高一扰动”影响导致冲击地压事故频发等问题,以陕西长武亭南煤业有限责任公司(以下简称“亭南煤矿”)3409综采工作面为例,提出人造高位破碎层治理工作面回采期间冲击地压的区域卸压防冲技术。通过创新高位钻场、钻孔布置方式及装药结构,利用千米定向钻机将对回采安全起到关键作用的坚硬顶板超前、整体、均匀破碎,形成人造高位破碎层,实现区域防冲卸压,并动态监测回采过程中的矿压、微震。研究结果表明,该防冲技术的实施可以有效控制矿压显现,微震事件大幅减少,保证了综采工作面回采期间的安全生产。该研究可为相同赋存条件下的煤层开采冲击地压灾害防控提供借鉴。

底板切槽卸压技术在冲击地压巷道中的应用

针对义马煤田开采深部冲击地压巷道所遇到的底鼓问题及防治难点,提出底板切槽卸压技术,在耿村煤矿13210掘进工作面运输巷进行了防治底鼓的现场应用。结果表明,底板切槽卸压技术应用效果良好,为防治冲击地压巷道底鼓问题提供了科学依据。